Ученые из Ванингенского и Гронингенского университетов Нидерландов, стремясь смоделировать белковую структуру мембран общего предка всех живых организмов, получили в своем эксперименте особые, ранее никогда не встречавшиеся в природе, микроорганизмы.
Биологи сейчас подразделяют все живые организмы на три домена: археи, бактерии и эукариоты. Археи и бактерии не имеют клеточного ядра, у эукариот ядро имеется. Эукариоты подразделяются на животных, растения, грибы и несколько групп одноклеточных ядерных существ под общим названием протисты. Еще Дарвин предположил, что всё это многообразие живых организмов имело общего предка, в XXI веке этого предка стало возможным опосредованно изучать, сопоставляя ДНК различных видов. Пока это единственный способ, так как окаменевших останков этого организма не сохранилось.
Жил он, как показывают расчеты, примерно 3,5 – 3,8 миллиарда лет назад. Ученые дали ему название LUCA (Last universal common ancestor, последний универсальный общий предок). Сначала его потомками стали эволюционные ветви архей и бактерий, затем, в ходе образования симбиотических организмов, возникли существа с клеточным ядром – эукариоты.
LUCA (точка в центре) и его потомки – филогенетическое древо живых организмов
За последние годы появился ряд исследований, позволяющих уточнить наши представления о том, каким был этот LUCA. Следует сразу уточнить, что LUCA – это не единичный организм, и даже не единичный вид в современном понимании этого термина, а существовавшее на заре биологической эволюции сообщество микроорганизмов, которые отличались друг от друга и обменивались генами. Одновременно с ними существовали и другие организмы, не оставившие после себя потомков. То, что все нынешние организмы происходят от одного “корня”, а не от нескольких, ученые подтверждают, применяя статистический аппарат теории выбора модели к последовательностям аминокислот в белках, имеющихся во всех доменах.
Сейчас исследователи знают, что LUCA был способен синтезировать РНК и строить на основе РНК белки. А вот имелась ли у него молекула ДНК, неясно. Возможно, что и нет. Некоторые авторы даже полагают, что замена РНК на ДНК в качестве основного носителя генетической информации случилась независимо у архей, бактерий и эукариот. Еще один вариант основан на гипотезе, что ДНК была у LUCA, но еще не имелось способности к ее репликации. Построение новых молекул ДНК происходило на основе РНК путем обратной транскрипции.
В 2008 году было опубликовано исследование, где на основе анализа геномов удалось установить оптимальную температуру внешней среды для LUCA (она оказалась равной 50-60°C), тогда как для предков бактерий и архей оптимальная температура составляла более 80°C. Появление склонности к высоким температурам авторы работы связали именно с переходом от использования РНК к ДНК в механизме наследственности.
В 2016 году ученым удалось определить 355 генов, которые должны были иметься у LUCA. Для этого были обследованы геномы 1847 видов бактерий и 134 видов архей. Общих генов у архей и бактерий оказалось примерно одиннадцать тысяч, но в качестве возможных генов LUCA были признаны лишь те, что продемонстрировали структурную гомологию и были обнаружены как минимум у двух видов бактерий и двух видов архей. Авторы работы, опубликованной в журнале Nature Microbiology, указали функции некоторых из этих генов, определив возможный метаболизм LUCA. Вероятно, LUCA, подобно некоторым современным археям и анаэробным бактериям, использовал серию биохимических реакций известную как путь Вуда – Льюнгдаля, то есть для жизни ему были необходимы водород и диоксид углерода. Ученые полагают, что LUCA жил возле подводных геотермальных источников, где и получал необходимый ему водород. Интересно, что функции 294 из 355 генов пока неизвестны.
В нынешнем исследовании пытались решить вопрос, какой была мембрана у LUCA. Один из авторов работы Арнольд Дриссена (Arnold Driessen) из Гронигенского университета объясняет, что молекулы фосфолипидов, входящие в мембраны архей и бактерий, имеют разную хиральность, то есть отличаются друг от друга как объект и его зеркальное отображение (подробнее о зеркальной изомерии молекул можно прочитать в отдельном очерке). Для построения зеркально отличающихся молекул археям нужно использовать совершенно иные ферменты, чем бактериям. Кстати, это отличие указывает на раннее отделение архей от прочих организмов.
Но одновременно это говорит и о том, что LUCA должен был иметь как «левые», так и «правые» молекулы липидов в своей мембране. Из-за этого предполагали, что липидная структура его мембраны оказывалась неустойчивой и что именно это привело к разделению его потомков на две ветви: архей с «левыми» молекулами фосфолипидов и бактерий – с «правыми».
Чтобы проверить такое предположение, авторы работы решили искусственно создать организм со «смешанной» мембраной, где были бы зеркальные изомеры обеих разновидностей. Для эксперимента они выбрали хорошо знакомую бактерию – кишечную палочку (Escherichia coli). Ее снабдили генами, ответственными за синтез нужных ферментов и взятыми у архей. В результате у модифицированных бактерий около 70 % мембранных фосфолипидов оказались, как обычно, «правыми», а около 30 % – «левыми». В природе столь странный организм никогда не встречался.
Вопреки ожиданиям, мембрана этих микроорганизмов была стабильна и не спешила разрушиться. Так что вряд ли гипотеза нестабильной мембраны может объяснить расхождение архей и бактерий.
Обычные бактерии Escherichia coli (слева) и модифицированная форма (Caforio et al., PNAS, 2018)
Полученные модифицированные бактерии несколько отличаются своей формой и обликом от обычных кишечных палочек – бактериальные клетки более вытянуты и имеют необычные неровности на мембране, но чувствуют себя неплохо. Следует подчеркнуть, что в данной работе не был воспроизведен LUCA, каким он был, а лишь получены бактерии с одной из черт предкового организма. Исследование было опубликовано в PNAS.
